Doppelspalt Experiment
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Das Doppelspaltexperiment, welches alle neuen Erkenntnisse und Probleme der klassischen Physik aufzeigt beschreibt die Ereignisse der Quantenmechanik mit erstaunlicher Genauigkeit.
Für den Versuch benötigen wir einmal eine Lichtquelle die einzelne Photonen "abschießt", eine Trennwand mit zwei Spalten, welche für Photonen undurchdringlich ist. Und einen Detektorschirm, auf dem wir erkennen können, wen ein Photon eingeschlagen ist.
Der Versuch ist eigentlich ganz simpel, man schießt Licht erstmal ohne die Trennwand auf den Detektor.
Doch würde man der Logik zufolge annehmen, das ein Photon ähnlich wie z.B. eine Kugel die aus einer Pistole abgefeuert wurde, bei gleichbleibenden physikalischen Bedingungen immer den selben Punkt trifft, d.h. wen wir eine Pistole auf ein Ziel ausrichten und keine physikalischen Eigenschaften verändern, so wird die Kugel immer im selben Punkt aufschlagen. So zeigt sich gerade dieses Verhalten im Versuch nicht. Das Photon verhält sich nicht so, wie es die klassische Physik erwarten würde, wie das Doppelspalt Experiment anschaulich zeigt. Jedes Photon trift an einer anderen Stelle auf dem Detektor auf, versucht man ein Muster herauszufinden indem mann die Flugbahn oder ähnliches berechnet bzw. es versucht, so erweißt sich dies als schlichtweg unmöglich. Das Photon trifft zufällig auf den Detektor Schirm.
Schieben wir nun die Trennwand dazwischen.
Lassen wir den linken Spalt geöffnet, so erkennen wir, dass sich alle Photonen wieder zufällig, jedoch etwas nach links verschoben, auf dem Detektor auftreffen. Gleiches nur nach rechts verschoben geschieht wenn wir den rechten Spalt offen lassen.
Nun lassen wir beide Spalte offen, aber das was wir nun sehen ist absolut nicht mehr zufällig, den es gibt auf einmal Bereiche, die die Photonen zu meiden scheinen. Es sieht so aus, als würde es 4 Säulen geben, innerhalb der Säulen treffen die Photonen jedoch wieder zufällig auf den Detektor auf, wie kann das sein?
Erstellen wir ein Histogramm indem wir zählen wie viele Photonen wo auf dem Detektor aufschlagen so bildet sich daraus etwas, was auf den ersten Blick wie eine Welle aussieht. Daraus resultieren zwei Fragen, erstens wie kann das Licht sich wie eine Welle verhalten? Und zweitens was ist diese Welle?
Die Welle selbst ist eine Näherungskurfe und kann lediglich eine bestimmte Wahrscheinlichkeit angeben, mit der ein Photon an einem bestimmten Punkt auf dem Detektor einschlagen wird. Es kann jedoch nicht mit absoluter Genauigkeit bestimmt werden, wo auf dem Detektor das Photon letztlich auftrifft.
Erstellen wir dazu ein Computerdiagramm, und lassen alle möglichen räumlichen Positionen des Photons anzeigen, sowie es die Welle aufzeigt, dann erkennen wir noch eine weitere Eigenschaft.
Die allg. Eigenschaft von Wellen ist, dass sich Wellentäler zu einem tiefen Krater zerstören, während Wellenhügel sich zu einem großen Wellenhügel verstärken. Dieses Phänomen ist zutreffend für alle Arten von Wellen und ein typisches Charakteristika von Wellen.
Wenn eine Welle nun auf zwei Spalte trifft, so verändert sich die Welle und aus der einen Welle werden viele kleine, addiert man alle höhen und tiefen so entsteht die Welle, die passend die Wahrscheinlichkeit beschreibt,mit der ein Photon an jedem Ort des Detektors einschlägt.
Das bedeutet also, Photonen verhalten sich wie Wellen, nein sogar Photonen können in Wellenform auftreten.
Gehen wir noch einen Schritt weiter, wieder haben wir die Apparatur so aufgebaut, dass wir eine Lichtquelle haben, die einzelne Photonen abschießt. Wieder haben wir eine Trennwand wie vorhin, mit beiden Spalten geöffnet, jedoch haben wir hinter den Spalten eine Messapparatur angebracht, die anzeigt wen ein Photon den Spalt passiert.
Würde man jetzt wie eben erwarten, dass sich wieder das Muster bildet, so liegt man falsch, auf einmal haben wir das selbe Ergebnis wie ganz zu Anfang, als wir keine Trennwand eingebaut hatten. Schalten wir die Messvorgang ab, so zeigt sich wieder das Muster. Das bedeuten, dass das Photon bis zum Zeitpunkt der Messung keine Information über seine Position trägt. Es hat zwar Informationen wie Impuls, etc. aber es weiß nicht, wo es auftreffen wird, es weiß nicht wo es sich befindet, bis zum Zeitpunkt der Messung. Bei der Messung weißt der Zufall dem Photon einen Wert zu! Weil sich ja wieder das Bild von ganz zu Anfang zeigt.
Uns erscheint die Vorstellung abstrakt das alleine der Zufall den Wert festlegt, aber die Experimente zeigen genau das. Für das Verständnis des Orbitalmodells ist dies Elementar.
Es gibt eine Dokumentation über das Doppelspalt Experiment mit dem Titel "Rätselhafte Quantenphysik", die genau dies sehr gut aufzeigt.
